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第2章 机械零件工作能力计算的理论基础 失效形式（Failure types） 轧钢机压下螺旋丝杠断牙宏观 键槽应力集中导致齿轮轴疲劳断裂 整体塑变 冷胶合：低速重载，接触零件挤压粘着，相对运动撕裂。 综合失效：齿面磨损、断齿、疲劳断轴 热胶合：润滑不良引起的齿面 点蚀 轮齿磨损 返回 返回 * * 本章主要内容： §2-1 机械零件的工作能力及其变形的基本形式 §2-2 轴的拉伸和压缩 §2-3 剪切和挤压 §2-4 圆轴的扭转 §2-5 弯曲 §2-6 应力状态理论及强度理论概述 §2-7 疲劳强度概述 §2-8 接触强度概述 一、机械零件的工作能力 设计的使用条件下 设计的寿命期限内 不能完成 设计的功能 失效 零件 例: 齿轮轴断裂—失效 §2-1机械零件的工作能力及其变形的基本形式 1、机械零件的失效 1）整体断裂 过载断裂 疲劳断裂 2）表面破坏 磨损 冷胶合 热胶合 点蚀 塑性变形 过大弹性变形 3）变形 过大 胶合 4）过大振动 腐蚀 2、机械零件的工作能力 ——机械零件不发生失效的安全工作限度称为工作能力。 影响机械零件工作能力的主要因素有：载荷、变形、速度、温度、压力和零件的形状、加工质量等。 同一种零件对应于不同的失效形式有不同的工作能力。 对于载荷而言，工作能力又称为承载能力。 在确定机械零件的承载能力时，主要要考虑机械零件的强度和刚度。 强度： 指零件承受载荷后抵抗发生断裂或超过容许限度的残余变形的能力。 刚度： 指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。　　 如果零件的刚度不足，有些零件则会因为产生过大的弹性变形而失效。 强度准则 刚度准则 振动稳定性准则 耐热性准则 可靠性准则 3、机械零件设计准则 　　因为失效类型不同，所以机械零件的工作能力类型也不同，故机械零件的计算准则也不同 二、机械零件变形的基本形式 各种机械零件在不同的载荷作用下．可能产生不同形式的变形，但其最基本的有拉压、剪切、扭转、弯曲等四种形式。 拉伸 变细变长 压缩 变短变粗 拉压变形 挤压变形 剪切变形 扭转变形 弯曲变形 Me Me g j Me Me 按名义载荷求得的应力称为名义应力 按计算载荷求得的应力称为计算应力 在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷称为名义载荷 机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，通常引入载荷系数K来估计这些因素的影响。 名义载荷与载荷系数的乘积称为计算载荷 §2.7 疲劳强度概述 一、载荷和应力的分类 1. 载荷 动载荷：由于运动中产生的惯性力和冲击等引起的载荷 静载荷 变载荷 按是否随时间变化，载荷 2. 应力 静应力 变应力 σmax─最大应力； σ min─最小应力 σ m─平均应力； σ a─应力幅值 r ─应力比（循环特性） 随机变应力 非随机变应力 稳定循环变应力 不稳定循环变应力 稳定循环应力 σ t σmax σmin σm σa 对称循环 脉动循环 稳定循环应力 对称循环应力 r = -1、 σm＝0 　脉动循环应力 r=0、 σ min＝0 静应力 r=1 静应力（可看作是循环应力的一个特例） 静应力只在静载荷作用下产生，循环应力可由变载荷产生，也可由静载荷产生。 二、疲劳破坏 —— 变应力作用下的破坏形式 构件的疲劳破坏可分为3个阶段 ： ①微观裂纹阶段 ②宏观裂纹扩展阶段 ③瞬时断裂阶段 在变应力作用下，零件表面产生初始微裂纹（疲劳源），初始微裂纹处的应力集中促使裂纹扩展，发展成为宏观裂纹。 裂纹基本上沿着与主应力垂直的方向扩展 当裂纹扩大到使物体残存截面不足以抵抗外载荷时，物体就会在某一次加载下突然断裂。 疲劳破坏的特征： ① 在某类变应力多次作用后突然断裂 ② 断裂时变应力的最大应力（or疲劳极限）远小于材料的屈服极限 ③ 即使是塑性材料，断裂时也无明显的塑性变形 三、不同循环次数时的疲劳极限计算 疲劳极限：应力比为r的应力循环作用N次后，材料不发生疲劳的最大应力 疲劳寿命（N）:材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N 疲劳曲线： 应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应力循环次数之间关系的曲线 σmax N 1. σ－N疲劳曲线 用参数σmax表征材料的疲劳极限，通过实验，可得出如图所示的疲劳曲线。称为： s－N疲劳曲线 104 C 在原点处，对应的应力循环次数为N=1/4，意味着在加载到最大值时材料被拉断。显然该值为强度极限σB 。 B 103 σ t σB A N=1/4 在AB段，应力循环次数103 σmax变化很小，可以近似看作为静应力强度。